肖建平团队揭示限域MOF材料用于高性能电解水反应机理

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近日，我所理论催化创新特区研究组（05T8组）肖建平研究员团队与中国科学院宁波材料技术与工程研究所张涛研究员团队、浙江大学侯阳研究员团队在电解水材料设计中取得新进展，制备了限域环境下的NiFe MOF材料，实现了超低过电位（106 mV）和超高电解稳定性（大于150小时）的电解水过程。
　　电解水（oxygen evolution reaction, OER）是实现清洁能源转化中的重要过程。有机金属骨架（MOFs）材料被认为是一种极具潜力的电解水材料，然而，其电导率较差的特性阻碍了其作为电催化材料的发展进程。
　　在本工作中，侯阳团队通过将NiFe MOF材料封装在限域石墨烯层间，解决了MOF材料电导率差的本质问题。与此同时，肖建平团队通过OER截顶式反应相图的建立，证明了限域环境提高了NiFe MOF材料的本征催化活性。

　　肖建平团队以第一性原理密度泛函理论计算为研究手段，首先对限域环境下NiFe MOF材料中的活性位点的电子结构进行研究。团队从限域对电子轨道的态密度影响可以推断出，限域环境让MOF材料上的活性位点可体现出更强的成键能力，根据传统OER活性趋势的推断，这可能是增强OER催化活性的本质原因。进一步，团队对OER催化过程进行研究，通过材料表面重要中间物种之间的相互线性关联，在MOF材料中也得到了二维截顶式“反应相图”。这与之前该团队得到的在CoMn材料上所体现出的OER活性趋势高度一致（Nat. Catal.，2022）。此外，在MOF材料的体系中，团队发现体现出高活性的限域NiFe MOF材料的主要活性位点也处于反常截顶的活性火山型曲线的顶点平台上，证明了该材料高OER活性的本质。同时，一系列NiFe MOF材料的理论活性趋势能够和实验活性趋势完美契合，证明了理论模型的准确性。
　　相关研究以“Exceptional catalytic activity of oxygen evolution reaction via two-dimensional graphene multilayer confined metal-organic frameworks”为题，于近日发表在《自然—通讯》（Nature Communications）上。该工作的共同第一作者是浙江大学博士后吕思刘和我所05T8组助理研究员郭辰曦。上述工作得到国家重点研发计划、中科院洁净能源创新研究院合作基金、国家自然科学基金、中科院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”等项目的支持。（文/图 郭辰曦）
　　文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-33847-z
      文章来源：大连化物所
      肖建平博士2009-2013年在德国不来梅大学物理和电子工程系攻读博士学位(指导导师：Thomas Frauenheim教授和Thomas Heine教授)，主要从事固体氧化物表面稳定性和反应性的理论研究。2013-2015年在中国科学院大连化学物理研究所进行博士后研究工作(合作导师：包信和 研究员/院士)，主要研究在限域环境下催化反应中的一般性规律和电子结构根源。2015-2017年在美国斯坦福大学进行博士后研究工作(合作导师：Jens K. Nørskov 教授/院士)，主要研究电化学还原二氧化碳得到液体燃料的基本原理和方法。2017年11月回国在浙江西湖高等研究院-理学研究所工作，总共发表学术论文57篇，包括Science, Nature Energy, Nature Communications, PNAS, PRL, JACS, Angew Chem, Chem. Sci.等等。